某特種車輛TTCAN網絡的靜態調度設計

李麗丹，王永康，南立軍

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

CAN（Control Area Network）是一種典型的事件觸發總線，不僅在汽車領域得到了廣泛的應用，現已擴展到了機械工業、機器人、數控機床、家用電器、軍用設備等領域。特種車輛計算機控制系統內部電子設備越來越多，為了降低維修難度，實時、可靠地實現信息的傳輸、共享，引入了CAN總線。但CAN總線有其不足之處，即多節點自由競爭時，由位仲裁決定訪問總線優先權所帶來的節點工作時間具有不確定性[1]。為此，有人提出了時間觸發協議方法，例如FlexRay、TTCAN 和 Time-Triggered Protocol(TTP/C)，由于TTCAN是在 CAN的基礎上發展而來，可借用CAN現有的平臺，因此，得到人們更多的關注。

在TTCAN的研究中，除了相關的硬件開發之外，主要的研究工作就是要確定矩陣周期的整體結構并將消息合理地安排到各個時間窗口中[2]，即靜態調度機制。現有的基于均勻裝載（AL）算法[3-4]的優化算法——諧波周期算法[5]，只是追求時間窗的長度最短，保證時間觸發信息和事件觸發信息的實時性，并沒有考慮每個信息發送的具體內容、重要程度。因此，本文先利用諧波周期算法建立某特種車輛計算機控制系統的調度表，之后根據每個消息的內容對其適當的調整，這樣既保證了系統的實時性，又使系統中每個信息的發送時刻達到最佳。

1 TTCAN協議簡介

TTCAN協議是由Bernd Mueller博士等提出的在CAN的數據鏈路層上加的一個高層協議，ISO11898-4已包含了這個協議[6]。它與傳統CAN總線系統的區別是：總線上不同的消息定義了不同的時間片段，在同一時間片段內，總線上只能有一條報文傳輸，這樣就既避免了總線仲裁，又保證了信息的實時性。該協議定義了靜態調度機制、時間同步、時間進程和錯誤監測機制等內容。本文主要介紹靜態調度機制。

1.1 靜態調度機制

TTCAN 協議中的調度機制本質上屬于基于表的靜態調度，實現該算法必須保證網絡各節點之間嚴格的時鐘同步。在 TTCAN 中，時間主節點周期性地發送參考消息來使網絡中各節點達到時鐘同步，通過調度表實現對網絡中消息傳輸的管理與預測。參考消息標志著一個基本周期的開始，基本周期由若干個時間窗口組成，包括獨占窗口、仲裁窗口和自由窗口。獨占窗口用于傳輸周期性的消息，仲裁窗口用于傳輸事件觸發的非周期消息，自由窗口用于將來擴展網絡。圖1給出了由四個基本周期組成的調度表的結構圖。

1.2 系統矩陣建立的主要研究問題

系統矩陣建立得合理與否，直接關系到該系統信息傳輸的實時性和可靠性。TTCAN 中，系統矩陣的整體結構以及消息的調度主要要求解決以下問題[7]：

1）確定基本周期，及其行數和列數；

2）確定基本周期中每列的長度，即一幀周期性消息所需要的總線傳輸時間，它必須保證一包完整報文的傳輸，對于標準幀報文，可由式（1）給出：

其中，TCWj為第 j列的傳輸列寬；Sm為第 j列消息的最大字節數；τbit為在傳輸介質上傳輸一個數據位所需要的時間。

3）確定調度表中各個時間窗口中要調度的消息，即總線中各個消息的傳輸起始時刻。

圖1 調度表

2 諧波周期調度算法

文獻[3]中提出了一種基于均勻裝載（AL）的調度算法。見圖 2。該算法用以保證周期型信息發送周期的最小抖動，并未考慮非周期型報文的實時性。本文使用的諧波周期調度算法是對AL算法的改進，同時保證了周期性消息和非周期性消息的實時性。以下是諧波周期調度算法的建立步驟。

1） 周期性報文的個數N個，按周期升序排列的集合為 P ＝ ｛ P1, P2, · · ·PM｝ ，M 為周期個數，其中周期為 Ti的報文個數為ni個，1≤i≤M。

取基本周期為周期值最大公約數（GCD）：

取矩陣周期為周期值最小公倍數（LCM）：

各信號周期值與基本周期的比值為 ki＝TiTBC

基本周期個數即行數 NBC＝TMCTBC，若 Tm＝λTi，m≠i，1 ≤ m , i≤ M，λ為正整數，則Pm組成的集合Qi為 Pi的相關組。

2） 確定列數和列寬

其中，C為周期性消息的列數，第C列可以加載的信息的個數為 a ＝λ(ki- r em( niki))，rem( ni, ki)表示niki的余數，所有周期性消息的列寬之和為，若 Ls＜TBC，說明可以調度。

圖2 諧波周期算法的流程圖

這樣，通過諧波周期算法使得周期性消息傳輸部分的自由窗口數量減少，縮短了其傳輸的時間，為非周期性消息的傳輸提供了更多的時間。

3 諧波周期調度算法在控制系統中的應用

特種車輛如何做到“先敵發現、先敵射擊”，很大程度上取決于其計算機控制系統的性能。因此，提高計算機控制系統的實時性、可靠性、靈活性顯得非常重要。TTCAN在計算機控制系統中的應用為該系統性能的提高起到了很大的作用。

3.1 系統矩陣周期的建立

特種車輛計算機控制系統的主要功能是：全天候的快速觀察、識別、瞄準和跟蹤目標，并通過計算采集的有關數據，控制武器系統完成射擊。它由三個分系統組成：觀瞄分系統、計算機分系統和驅動分系統。這些分系統中各部件間信息的傳輸是通過 CAN總線網來實現的。

本文研究的計算機控制系統有兩個 CAN網：一個是以計算機為主的 CAN網絡；另一個是驅動部分的 CAN網絡。它們之間通過驅動控制箱連接。這里僅介紹以計算機為主的 CAN總線網，它傳輸的消息的周期、ID和內容見表1。

表1 系統中傳輸的部分消息情況

下面利用諧波周期算法建立該計算機控制系統的TTCAN調度表。本文中報文傳輸速率為500kbps，所以τbit為1 500ms， 由 表 1 可 得 TBC＝ 3 ms ，TMC＝ 3 0ms ，n＝ ｛ 5, 2 ,4,7｝ ，k＝ ｛ 1, 2， 5, 1 0｝ ，NBC＝10，信息組T和其相關組Q見表2。

表2 信息組T和其相關組Q

利用諧波周期算法，通過 MATLAB對其進行仿真可得以下調度表，見圖3。

圖3 諧波周期算法建立的調度表

從圖3可以看出，周期性消息的調度表為10行8列，將每列傳輸消息的最大字節數Sm代入公式（1）中可得表3。

表3 每列的傳輸列寬統計

3.2 諧波周期算法的不足

從以上分析可以看出，諧波周期算法中信息的編號僅僅是依據該信息發送的周期來確定的，并沒有考慮該信息發送內容的重要程度。雖然TTCAN中周期性信息的發送是依靠周期矩陣，不存在沖突，但我們還必須考慮這個信息發送的內容，以及信息間的關聯和緩急情況。比如信息編號6代表指揮員測距信息，如果某一時刻出現目標，必須先進行測距，將測距信息發送出去，之后火炮自動跟蹤目標，操作手、指揮員及時將位置信息發送給主控計算機，主控計算機再進行計算并發射。但從上面建立的調度表中可以看出，各節點同步之后，需等待0.271× 3+ 0 .231× 2 ＝ 1.275ms才能第一次收到測距的信息，之后火炮自動跟蹤目標，還需再等3 - 2 .159 + 0 .191× 2 + 0 .271 ＝ 1 .494ms才得到火炮位置的信息，才能決定該如何射擊。這嚴重影響了該特種車輛的射擊響應能力。還有信息編號12、13、14、15發送的信息要比編號 8、9、10、11發送的信息重要，應該將比較重要的信息放在調度表中靠前的時間窗口。

綜合以上情況考慮，本文對諧波周期算法建立的調度表進行了適當的修改。

3.3 改進的調度表

本文在盡量不改變總列寬的前提下，根據信息的重要程度，對系統矩陣做如下調整：當指揮員發現目標，首先按下測距按鈕，進行測距并將數據發出去，之后總線上的其他節點才能根據該數據進行位置解算，進而瞄準目標并射擊。因此，這里將測距信息放在了所有信息的前面，這樣從測距數據的發出到解算信息的發出就比圖 3所示的調度表中時間縮短了1.494ms，自動跟蹤信息也比圖3提前了1.275ms。而且圖2中的控制信息和狀態信息要比參數調整信息重要，所以應盡量將參數調整信息放在靠后的時間片。另外，電源信息應為系統中主要部件提供過載保護的功能，這里將其放在了所有信息的最后發送。這樣更加合乎系統的工作原理和滿足實時性的要求。調整后的矩陣周期見表4。

表4 調整后的調度表

從表4中可以看到：該表中參考報文的列寬與上面8列的列寬和相同，仍為 Ls＝ 2 .159ms ，且滿足信息發送的緩急情況，信息安排更加合理。

3.4 結果分析

利用MATLAB建立文獻[3]中提到的AL算法，調度表見圖4。

圖4 AL算法建立的調度表

對比改進的諧波周期算法調度表（見表4）和AL算法建立的調度表（見圖4）可得以下結論。

1）AL算法要求調度表中每列列寬相同，且為所有報文中字節最大的報文傳輸所需的時間，而諧波周期算法只需要列寬為本列字節最大的報文傳輸所需的時間，每列列寬可以不同（見表3）。兩種算法傳輸消息所需的總時間見表5。

表5 兩種算法的傳輸時間對比表

從表5中可以看出，改進的諧波周期算法在每個基本周期中周期型消息所占帶寬減少了0.28ms，即在保證周期型信息實時性能的前提下，表4中非周期信息可以比圖4中的獲得更大的傳輸帶寬，隨機的非周期信息可以取得更好的時間響應特性。

2）AL算法和原諧波周期算法都只是按照消息的傳輸周期來建立的，而改進的諧波周期算法是在不改變列寬的前提下，根據消息間的關聯程度、發送的先后順序和重要程度進行的調整，使其信息分配更加合理，更加符合實際情況，實時性更加有保證。

4 結束語

諧波周期調度算法為每個基本周期空出了更多的時間來傳輸其他信息，但它僅僅考慮了傳輸消息的周期，并沒有結合系統本身信息發送的具體內容，使得有些相關聯的信息中間等待時間過長，或者需要提前發送的信息安排得靠后。本文首先利用諧波周期算法求出了周期性信息傳輸時間窗最短的調度表，之后在盡量保證時間窗長度不變的條件下，對系統矩陣進行適當修改，使得該系統信息調度表安排得更加合理，且在保證周期型信息實時性能的前提下，非周期信息也可以取得良好的時間響應特性。這對其它利用TTCAN保證實時性的控制系統來說，具有一定的指導意義。

[1]饒運濤,鄒繼軍,等.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2]周杰克.CAN總線測試系統與TTCAN調度器的研究[D].天津:天津大學,2008.

[3]曹萬科,張天俠,劉應吉,等.基于TTCAN的汽車控制系統信息調度設計與分析[J],農業機械學報，2007，29(12).

[4]曹萬科,張天俠,劉應吉.基于混合調度算法汽車TTCAN網絡設計及實時性分析[J].中國工程機械學報,2007 (1):62-66.

[5]Shuju Wang,Tianxia Zhang,etc.Scheduling Design of Automotive TTCAN Control System Based on Average Loading[C].Proceeding of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation.[J].IEEE,2010.

[6]ISO.11898-4.Road vehicles－Control Area Network(CAN)-Part 4：Time-Triggered Communication[S].ISO，2004.

[7]呂偉杰,宮麗華,陳曦,等.基于電動汽車的 TTCAN 調度算法的研究[J].制造業自動化,2009,31(2):68-70.